運20設計初探

1、運-20是中國自行研制的第一種大型運輸機，也是當今世界上最重要的大型運輸機之一。一般認為，運-20的機長47米，翼展45米，機高15米，最大起飛重量220噸，最大載重量66噸。相比之下，伊爾-76（以最新版本伊爾-76td-90為例）的機長46.59米，翼展50.5米，機高14.76米，最大起飛重量195噸，最大載重量50噸；c-17的機長53米，翼展51.75米，機高16.8米，最大起飛重量265噸，最大載重量77.5噸；空客a-400m的機長45.1米，翼展42.4米，機高14.7米，最大起飛重量141噸，最大載重量37噸；安-70的機長40.7米，翼展44.06米，機高16.38米，最大

2、起飛重量145噸，最大載重量47噸。 各國運輸機同比例側視圖（轉(zhuǎn)飛揚）運-20的基本布局符合當代大型運輸機的主流，采用上單翼、高平尾、機腹多輪起落架和翼下發(fā)動機布局。但飛機和人一樣，單純羅列主要身體特征，那所有的人都是一樣的。運-20也一樣，在外觀上和c-17、伊爾-76很相似，但有一些關鍵的不同。 高山繪制的大運、伊爾-76、a400m 對比圖運-20的中央翼盒不穿過桶形機體，而在外部和桶形機體連接，這造成了“駝背”的外觀。外置翼盒的好處是保持機體內(nèi)徑的完整，整個機艙長度里 機艙高度都是一致的，有利于按照最大高度裝載單件的長大貨物。但外置翼盒的壞處也是明顯的，增加了阻力。不光暴露的翼盒本身增

3、加阻力，用于和機體圓滑過渡的整流罩也加大，增加了重量和阻力。伊爾-76對中央翼盒的位置是和運-20一樣的。相比之下，c-17的中央翼盒穿過桶形機體的頂部，從機艙內(nèi)部看，可以看到翼盒明顯“侵入”中段機艙的頂部，局部降低了機艙高度，使得按照前段和后段的最大高度裝載單件的長大貨物不可能。但埋入機體的中央翼盒大大降低了阻力，整流罩較小則進一步降低了阻力。 運-20采用外置翼盒結構 外置還是內(nèi)置中央翼盒的做法不能簡單地說好還是不好，或者哪一個技術水平更高。現(xiàn)代民航客機都采用內(nèi)置中央翼盒，中國的c-919也不例外，盡管和世界上其他同類客機一樣是下單翼，而不是c-17那樣的上單翼。就結構而言，上置還是下置的

4、內(nèi)置翼盒沒有原則差別，軍用運輸機的機翼受力情況比較惡劣，但民航客機的翼盒還是主起落架的安裝點，受力情況同樣嚴峻。外置還是內(nèi)置翼盒的關鍵在于機艙內(nèi)部尺寸?，F(xiàn)代運輸機的主要任務不再是運送人員，從c-130到c-17，運兵量的增加與起飛總重或者載重量的增加簡直不成比例，只要航程足夠，用c-17運兵比用c-130運兵一點優(yōu)越性也沒有。但c-17增加的不僅僅是載重量，也是運送長大尺寸貨物的能力?，F(xiàn)代裝備不僅有坦克那樣沉重的實心大家伙，也有雷達車、導彈發(fā)射車那樣龐大但并不特別沉重的空心大家伙，而且后者越來越多，所以現(xiàn)代運輸機的機艙尺寸至少和載重量一樣重要，伊爾-476那樣載重量增加但機艙尺寸依然很受局限的

5、“新型運輸機”不大受歡迎就是這個道理。 伊爾-76貨艙尺寸c-130的機艙寬度只有3米，高度2.74米；伊爾-76的機艙寬度也只有3.16米，高度稍高，達到3.26米；c-17的機艙寬度則達到5.49米，機艙最大高度4.5米，但翼下只有3.76米。這里的寬度和高度都是最大可載貨物的寬度和高度，因為鼓出的機艙側壁實際上對于載貨沒有多少用處。運-20的機艙尺度還沒有可靠數(shù)據(jù)，應該在伊爾-76和c-17之間。比較數(shù)據(jù)容易看出，c-17的翼下機艙高度盡管降低了，但還是高于伊爾-76。換句話說，并不低。對于c-17來說，機艙尺度用來運載低矮、沉重的坦克足夠了。對于特別高大的貨物，只要在長度上能在后艙容納

6、下，并沒有必要達到全長全高。或者說，美國空軍對于全長全高沒有需求。雷達車高大，但并不長；美國沒有運送機動彈道導彈發(fā)射車的需求，加上還有c-5的存在，c-17的機艙高度并不是一個問題。伊爾-76則不然，如果沿用c-17同樣的機艙高度損失數(shù)據(jù)，也就是0.74米，伊爾-76的機艙高度將在局部下降到可憐的2.52米，還不到c-130的機艙高度。即使伊爾-76的中央翼盒沒有c-17那樣肥厚，機艙高度的損失也同樣是不可忍受的。對于運-20來說，也有同樣的問題，除非達到c-17相似的機艙寬度，否則采用內(nèi)置翼盒的話最低機艙高度將不優(yōu)于伊爾-76，中國可沒有c-5或者安-124幫忙運載運-20裝運不下的超尺寸貨

7、物。如果不出意料，運-20的機艙寬度將在4-5米之間，高度也在4米左右，高于c-17的翼下段，但低于c-17的前段和后段，而與機艙寬度相適應。換句話說，起飛總重、推力、載重量等要求決定了機艙寬度，而機艙寬度一旦決定，外置翼盒還是內(nèi)置翼盒是由機艙高度要求決定的。對于運-20的尺度來說，采用外置翼盒是唯一合理的選擇。 c-17貨艙尺寸，可以看到翼盒的影響 如果固定機艙最低高度，但把機體直徑增加，使得中央翼盒內(nèi)置，這可以降低中央翼盒導致的阻力，但將大幅度增加機體重量和阻力。假定機艙高度要求4米、翼盒厚度0.7米的話，外置翼盒的機體直徑保持為4米，機體周長為12.56米；內(nèi)置翼盒則機體直徑增加到4.7

8、米，機體周長增加到14.76米。這當然是簡單化的計算，沒有考慮艙壁厚度和其他因素，也沒有考慮增大直徑后保持機體強度所需要的額外加強，但僅僅基本的材料重量就要增加17.5%。較大的機體直徑必然意味著拉長的機體，以保持合理的長細比，實際起飛總重將至少增加25-30%。增加的直徑使迎風面積也增加38%，增加的濕面積也意味著額外的阻力。這一切都要求發(fā)動機推力相應增加。更大的運輸機當然具有更大的運載能力，但成本、油耗、技術風險也相應提高，更何況有需求問題。中國空軍并不需要c-17一級的運輸能力，或者說負擔不起這樣豪華的能力，運-20采用外置翼盒是必然的。 空客的a400m也是外置翼盒結構 外置翼盒需要較

9、大的整流罩，不光縱向需要更大的整流罩以便向機體上表面平滑過渡，橫向也需要較大的整流罩，以便整合翼根和機體之間的空間。較大整流罩的重量、阻力都增加，但內(nèi)部燃油空間也增加，所以并不是一邊倒的壞事。在載重量方面，已經(jīng)透露的66噸也是合理的，這和運-20的尺度相匹配?，F(xiàn)在還不知道這是配用4臺d30渦扇還是換用4臺國產(chǎn)新型大推力高涵道比渦扇后的載重量。4臺索洛維耶夫d30達到66噸的載重量似乎超過了通常認為可能達到的水平。另一方面，索洛維耶夫d30是俄羅斯的第一代渦扇，中國正在為c-919配套研制的cj-1000是第三代渦扇，并有消息說中國還在用為殲-10、殲-11配套的“太行”的核心發(fā)動機同步研制高涵

10、道比渦扇，這些新型渦扇的推力和耗油都優(yōu)于d30，有望使運-20的性能達到新的水平。 圖為我國研制的國產(chǎn)長江-1000a大涵道比渦扇航空發(fā)動機，主要用于裝備c-919客機 2012年，珠海航展展出的我國大涵道比渦扇發(fā)動機。據(jù)悉，該發(fā)動機具有四大特點：高效率，低燃油消耗；高 可靠性，長使用壽命；低排放，低噪音；低維護成本，維修性佳，將用于國產(chǎn)大飛機 運-20換裝國產(chǎn)發(fā)動機對比想象圖運-20具有巨大的三縫襟翼，用于在起飛、降落時增升。有意思的是，運-20的襟翼設計和伊爾-76很相像，但不同于c-17。伊爾-76使用后退式三縫襟翼，其中第一道襟翼和第二道襟翼之間有明顯空隙。這是供翼下高壓氣流穿過去，對

11、翼上氣流產(chǎn)生拉動作用，增加升力。這是一個比較傳統(tǒng)的設計，簡單、有效。當然，簡單是原理上簡單，設計和制造上并不簡單，至少比非后退式的簡單襟翼復雜多了。但c-17采用雙縫的噴氣襟翼，不僅有同樣的縫隙，供下翼面高壓氣流產(chǎn)生引射增升，還直接處于發(fā)動機噴流之中，極大地增強了增升作用，縮短起飛、降落距離。原理類似的吹氣襟翼在f-4“鬼怪”式戰(zhàn)斗機上早就有應用，但那是從發(fā)動機壓氣機引出氣流產(chǎn)生增升，c-17直接用發(fā)動機噴氣產(chǎn)生增升，增升效果強烈得多。 運-20機翼上復雜的前后緣增升裝置以及擾流板 運-20沒有采用噴氣襟翼可能有幾方面原因。除了噴氣襟翼本身的技術難度外，發(fā)動機推力不足可能是最大的障礙。噴氣襟翼

12、放下后，接受發(fā)動機噴流的吹拂，將噴流部分向下偏轉(zhuǎn)，并通過縫隙引射增升，增升效果明顯。同時，噴氣襟翼要求發(fā)動機的推力軸線緊貼下翼面，這樣才能是襟翼處在噴流之中。但發(fā)動機噴流緊貼下翼面可能影響噴流的發(fā)育。但另一方面，向下偏轉(zhuǎn)的推力軸線降低了實際向前的推力，在發(fā)動機推力不足的情況下，這是很要命的。噴流在噴出噴口之后，并不是像鉛筆一樣的直筒子，而是像喇叭口一樣散開，然后再形成捅形。這是因為高壓噴流在離開噴口之后，噴流中心的壓力使得噴流向壓力較低的環(huán)境空氣膨脹出去，好像吹肥皂泡一樣。噴流的發(fā)育受到機翼下表面的阻礙的話，不光烘烤翼面結構，還會造成推力損失?？紤]到要用推力不足的d30先飛起來，運-20不能負

13、擔這樣的推力損失。 另外，結構上的要求可能也是一大障礙。噴氣襟翼要求發(fā)動機噴口的軸線緊貼下翼面，這樣發(fā)動機吊艙必須向前、向上，基本平伸，吊架成為直直前伸的懸臂，基本平伸的發(fā)動機吊架還有迎風阻力較小的好處，但沉重的重量對機翼形成很大的扭轉(zhuǎn)力矩，極大地提高了機翼剛度的要求，對吊架的剛性要求也較高。另外，噴氣襟翼本身也需要極大地加強，否則被強力的噴流吹散了架就不妙了。發(fā)動機噴流緊貼機翼下表面也提高了結構耐高溫的要求。所以和噴氣襟翼相適應的發(fā)動機的位置很講究，太高了要影響噴流發(fā)育，太低了要錯過襟翼的位置，極大地加寬襟翼的寬度可以補償較低的發(fā)動機位置，但襟翼的重量大大增加。考慮到種種復雜性和實際效益，運

14、-20沒有采用噴氣襟翼是謹慎的。 吹氣襟翼對材料的要求很高，圖為c-17在野外機場降落并打開反推 但運-20也沒有一味降低技術風險而放棄技術創(chuàng)新，運-20采用了超臨界翼。常規(guī)翼型大體上像為橫剖一半的水滴，前半部比較肥厚，后半部比較瘦削，后緣則是尖利的。氣流沿上表面加速，在接近音速時，盡管飛行速度尚未達到音速，但上表面局部速度已經(jīng)達到甚至超過音速，形成強大的激波阻力。超臨界翼是nasa氣動奇才理查德惠特康姆發(fā)明的，他還發(fā)明了導致超音速飛機蜂腰的面積律和眼下實行的翼尖小翼，對現(xiàn)代航空科技的影響無人可比。推遲激波產(chǎn)生的通常做法是采用很薄的翼型，并采用較大的后掠角，這不僅不利于低速飛行，也要為恢復結構

15、剛性付出重量上的代價。超臨界翼一反常規(guī)機翼，上表面較為平坦，以減少氣流加速，推遲和弱化激波的產(chǎn)生。這使得超臨界翼可以相對較厚，或者降低后掠角。較厚的機翼受力較好，結構重量較輕；較低的后掠角也降低機翼對翼根的扭矩，降低結構重量。超臨界翼的下表面前半段相對飽滿，后半段向上“挖掉”一塊，和上表面延伸過來的后緣下垂相對應，形成“鉤子”一樣的后緣。下表面壓力較高，氣流貼附著挖出來的凹面流動，然后沿“鉤子”一樣的后緣向下流動，產(chǎn)生額外升力，補償上表面的升力損失。超臨界翼的前緣也比較鈍，迎面過來的氣流貼附較好，配合較低的后掠角，在低速時增加升力。超臨界翼已經(jīng)成為現(xiàn)代客機和運輸機的典型翼型，不過從外觀上不容易

16、看出端倪來。c-17也采用超臨界翼。 超臨界翼的特點比較有意思的是運-20的翼展。相比于c-17的51.75米的翼展和伊爾-76的50.5米的翼展，運-20的翼展只有45米，只比起飛總重少1/3的空客a-400m的42.4米或者安-70的44.06米略大。這說明運-20的超臨界翼達到了很高的設計水平。運-20機翼另一個飽受疑問的地方是沒有c-17或者現(xiàn)代民航客機上常見的翼尖小翼。翼尖小翼的作用是降低翼尖繞流，間接降低阻力。由于機翼下表面壓力高于上表面，翼尖附近的氣流不僅從前向后流動產(chǎn)生升力，還繞過翼尖形成“短路”的側向流動。這不僅導致翼尖升力損失，還產(chǎn)生強烈的翼尖渦流。渦流的能量最終來自發(fā)動機

17、的推力，但這部分消耗的能量對于升力和速度毫無用處，所以形成阻力。翼尖小翼降低了翼尖繞流，具有顯著的增升減阻作用，相當于延長翼展。但翼尖小翼除了本身的重量和阻力外，還要求機翼結構額外加強，導致額外的重量。所以翼尖小翼在設計中要在得失之間仔細權衡，不是包賺不賠的買賣。如果發(fā)動機推力足夠，可以用額外的推力補償翼尖小翼的增重，而在翼展大體不變的情況下獲得有效的增升，以增加飛機的起飛總重。但對于現(xiàn)階段的運-20來說，更大推力的發(fā)動機一時還沒有就緒，現(xiàn)有機翼設計已經(jīng)保證了足夠的升力和起飛總重，就不必急于加裝翼尖小翼。等到更大推力的新型發(fā)動機就緒的時候，具備了增加起飛總重的條件，那時再加裝不遲。事實上，c-

18、17的翼尖小翼也是“后加”的。按照原設計，c-17的最優(yōu)翼展應該為53.4米，但美國空軍規(guī)定了野戰(zhàn)機場的占地要求，在90米x120米的停機坪上要能夠停放3架c-17，所以翼展只有縮短到50.3米，加裝翼尖小翼以補償翼展損失。算入略微外傾的小翼后，翼展增加到51.75米。運-20可以反過來，在增重條件成熟的時候，加裝翼尖小翼，實現(xiàn)更大的等效翼展、更大的起飛重量和載重量。 運-20采用機腹起落架，每側三排，每排兩輪。這個安排是與空客a-400m和安-70相同的，與c-17的每側兩排、每排三輪不同。伊爾-76更加極端，每側兩排、每排四輪，連前起落架都是單排四輪的，而所有其他主流運輸機都采用雙輪前起落

19、架。多輪起落架的輪子越多，對地面的壓力越低，在簡易跑道上起飛、著陸的性能越好。另一方面，輪子橫排而不是縱排，后輪重蹈前輪胎跡的問題就越小。后輪重蹈前輪胎跡不僅在松軟地面可能造成后輪下陷，在硬質(zhì)跑道上也對同一表面反復碾壓，增加跑道的損耗。但另一方面，輪子橫排不便于起落架的收藏，或者增大本來已經(jīng)有很大鼓起的起落架艙，導致較大的重量和阻力；或者需要具有復雜的扭轉(zhuǎn)、折疊機構的起落架，增加重量和降低可靠性。所以橫排輪子也不是只有優(yōu)點、沒有缺點的。相對來說，運-20的三排六輪的重量、阻力和起落架復雜程度都較小，只要符合簡易跑道起落要求，還是不錯的選擇。 運-20的起落架布局 現(xiàn)代運輸機的尾門對快速裝卸非常

20、重要。尾門放下后，是車輛和人員迅速進出的跳板，或者是空中空投的平臺；尾門收起后，成為機尾密封結構的一部分，尾門上還可以額外裝載貨物。通常尾門分上下兩半，下半向外放下，上半向內(nèi)收起，形成高大的裝卸通道。c-17只有上下兩半，結構簡潔，密封較好，但尾錐因此相對寬扁，機尾的渦流比較嚴重，為此增加了兩片斜向的腹鰭進行局部導流，降低渦流影響。伊爾-76的上半比較復雜，中間部分和常規(guī)的上半一樣向上收起，左右兩片向外下垂打開，同樣形成高大的裝卸通道。但在尾門全部關閉的時候，尾錐比較尖瘦，阻力較小，氣動上更加優(yōu)美。在空投中尾門打開時，左右兩片還對機尾渦流起一定的屏蔽作用，降低渦流影響，改善空投環(huán)境。但伊爾-7

21、6的尾門結構復雜，重量較大，密封難度也更高。運-20采用了伊爾-76形式的尾門。 運-20采用了伊爾-76形式的尾門 運-20的尾翼和c-17十分相像，同樣采用兩段式雙鉸舵面。也就是說，對于垂尾方向舵來說，上下兩段舵面可以分別運動，每段舵面還有像兩節(jié)鞭一樣的前后兩部分，后半可以在前半的基礎上進一步偏轉(zhuǎn)。高平尾也一樣，每側平尾有內(nèi)外兩段，每段有前后兩部分，可以分別偏轉(zhuǎn)，提高操縱效率，降低鉸鏈力矩。相比之下，伊爾-76就是簡單的單片式方向舵和升降舵。 運-20的尾翼和c-17十分相像，同樣采用兩段式雙鉸舵面 作為中國第一架大型運輸機，運-20和世界上其他典型運輸機相比較是自然的。在現(xiàn)代運輸機中，c

22、-17無疑代表了最高水平，或者說是豪華級的；伊爾-76已經(jīng)有40年的歷史，但依然皮實、實用，代表了起碼水平，或者說是平民級的。運-20在載重量上介于兩者之間，在技術水平上也介于兩者之間，但在很多方面更加靠近c-17。運-20的超臨界翼設計明顯比伊爾-76先進，翼身融合處的整流罩設計更為飽滿、精細，尾翼設計、起落架艙與機體的融合則和c-17相近，但尾錐、尾門設計、襟翼設計和發(fā)動機吊掛方式則采取了伊爾-76的優(yōu)點。和尺寸相近的空客a-400m或者安-70相比，運-20的起飛總重和載重量要大得多。在具體特征上，運-20或許和世界上其他同類飛機有這樣那樣的相似之處，但就總體設計而言，運-20采用了具有

23、中國特色的設計取舍，不是對任何一架飛機的簡單模仿?？傮w平衡下來，運-20離世界最高水平還有差距，但已經(jīng)達到了很高的技術水平。作為中國第一架大型運輸機，運-20的成就是可喜可賀的。西飛干得好！畢業(yè)論文答辯開場白尊敬的主持人、評委老師：早上好，我是09春行政管理本科的學生xxx。我的畢業(yè)論文題目是論我國城市公共物品及其供給，指導老師是xxx老師。我的論文從確定題目、擬定提綱到完成初稿、二稿、三稿到最后的定稿，得到了x老師的精心指導，使我很快掌握了論文的寫作方法，并在較短的時間內(nèi)完成了論文的寫作。不論今天答辯的結果如何，我都會由衷的感謝指導老師的辛勤勞動，感謝各位評委老師的批評指正。首先，我想談談這個畢業(yè)論文設計的目的及意義。隨著全球經(jīng)濟一體化的突飛猛進,國家之間的經(jīng)濟界限漸趨模糊,但卻使國家次級的經(jīng)濟形式城市經(jīng)濟的重要性日漸